单片机系统的基本开发过程

一、单片机系统的基本开发过程

（一）系统开发概述

应用系统研制主要可以分为如下几个主要阶段：

1．总体方案的确定：主要包括可行性调研、技术指标的确定、器件的选择和软硬件功能的划分等．

2．系统设计：主要包括硬件设计和软件设计．其中硬件设计主要包括键盘、显示、A/D电路等外围扩展电路的设计和地址译码、总线驱动等电路的设计．软件设计则主要包括定义系统功能、画出程序流程图和编写代码等．另外特别重要的是，作为实际产品，除了满足基本的功能外，还必须考虑可靠性设计问题．

3．系统调试：主要包括硬件调试、软件调试以及软硬件的联合调试．硬件的调试主要包括静态调试和动态调试．软件调试则主要是在线的仿真调试．调试中一般软件和硬件不可能完全分开，软件调试和硬件调试通常要协同完成．

4．固化和运行：完成系统调试之后，反复运行正常则可将用户系统程序固化到EPROM之类的存储器上，单片机脱离开发系统独立工作，并在试运行阶段观测所设计的系统是否满足设计要求．

（二）总体方案设计

1．可行性调研．

可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性．进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作．若有，则分析他人是如何进行这方面工作的，达到了什么样的技术水平，有什么样的优点，还存在什么样的缺点，是否可以借鉴等；若没有，则需要进一步调研，首先从理论上分析用户所提的技术指标是否具有实现的可能性．然后还要充分了解用户的需求及应用系统可能的工作环境，确定项目能否立项．

在可行性调研完成之后，必须明确任务，确定产品的技术指标，包括产品必须具有哪些功能．这是产品设计的依据和出发点，它将贯穿于产品设计的全过程，也是整个研制工作成败、好坏的关键．

图5－1　单片机系统开发流程

2．器件选型．

在产品设计任务和技术指标确定以后，应在此基础上选择所需的器件．器件的选择首先是确定最核心的芯片即单片机．单片机芯片的选择应适合于应用系统的要求，不仅要考虑单片机芯片本身的性能是否能够满足系统的需要，如：执行速度、中断功能、I/O驱动能力与数量、系统功耗以及抗干扰性能等，同时还要考虑开发和使用是否方便、市场供应情况与价格、封装形式等其它因素．如果要求研制周期短，则应选择熟悉的机种，并尽量利用现有的开发工具．

3．方案设计．

明确任务要求并选定合适的器件之后，要编写任务书，将应用系统要完成的各项任务转换为对单片机的各种输入输出．将一个大的系统划分为多个子系统，明确各个子系统之间的电气接口和通信协议．合理安排人员，确定工作进度．

在方案设计时，特别要注意合理协调软硬件的任务．因为单片机嵌入式系统中的硬件和软件具有一定的互换性，有些功能可以用硬件实现，也可以用软件来实现，因此，在方案设计阶段要认真考虑软、硬件的分工和配合．采用软件实现功能可以简化硬件结构，降低成本，但软件系统则相应的复杂化，增加了软件设计的工作量．而用硬件实现功能则可以缩短系统的开发周期，使软件设计简单，相对提高了系统的可靠性，但可能提高了成本．在设计过程中，软、硬件的分工与配合需要取得协调，才能设计出最佳的应用系统．

（三）硬件设计

单片机应用系统典型的硬件结构如图5－2所示．硬件设计的主要任务是根据总体设计要求，在所选器件的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、I/O电路、A/D及有关外围电路等．另外，为了使系统稳定可靠地工作，在满足功能之余，还必须进行硬件的可靠性设计．

图5－2　单片机应用系统典型硬件结构

硬件设计的具体步骤如下：

1．绘制硬件框图：根据给定的总体任务，确定数字电路和模拟电路所需要的模块，画出总体的硬件框图，确定硬件的总体方案．

2．确定数据的输入输出方式：确定各输入输出数据的传送方式是中断方式、查询方式还是无条件传输方式等．

3．硬件资源分配：各输入输出信号分别使用哪个并行口、串行口、中断、定时器/计数器等．

4．绘制原理图：根据以上各步的分析结果完成硬件的电气连接原理图．

5．制作电路板：根据绘制的电路原理图，绘制出PCB图，并送厂家生产，得到实际的电路板．

6．器件焊接：将所有的元器件焊接到制出的电路板上．

在单片机应用系统硬件设计中，还应注意下列事项：

尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法．为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础．

系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发．

硬件结构应结合应用软件方案一并考虑．硬件结构与软件方案会相互影响，需要考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构．但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间．

系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配．如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品．如果既有CMOS电路，又有TTL电路时，要设计相应的电平兼容和转换电路．当有RS－232，RS－485接口时，还要实现电平兼容和转换．常用的集成电路有MAX232，MAX485等．

要考虑负载容限问题．单片机总线的负载能力是有限的．如MCS－51的P0口的负载能力为4mA，最多只能驱动8个TTL电路，P1—P3口的负载能力为2mA，最多只能驱动4个TTL电路．若外接负载较多，则应采取总线驱动的方法提高系统的负载容限．常用驱动器有：单向驱动器74LS244，双向驱动器74LS245等．

尽量朝“单片”方向设计硬件系统．系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性．随着单片机片内集成的功能越来越强，在设计中尽量选择性能更优、功能更强的芯片．

（四）软件设计

单片机系统软件的总体结构如图5－3所示．一般来说，单片机中的软件功能可分为两大类：一类是执行软件，它完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件，它专门用来协调各执行模块和操作者之间的关系，充当组织调度的角色．

图5－3　单片机软件系统的总体结构

（五）软件设计

在软件设计中，还应注意如下事项．

1．根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分．根据它们之间的联系和时间上的关系，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理．

2．培养结构化程序设计风格，各功能程序实行模块化、程序化．既便于调试、连接，又便于移植、修改．

3．为提高软件设计的总体效率，以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写应用软件前，应绘制出程序流程图．这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分．从某种意义上讲，多花一份时间来设计程序流程图，就可以节约几倍源程序编写调试时间．

4．要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等．其中最关键的是片内RAM分配．当各种资源规划好后，应列出一张资源详细分配表，以备编程查用．

5．注意在程序的有关位置写上功能注释，提高程序的可读性．

（六）系统调试

1．硬件调试．

当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段．硬件调试的常用工具包括仿真器、万用表、逻辑笔、函数信号发生器、逻辑分析仪、示波器等．硬件调试可按静态调试和动态调试两步进行．

（1）静态调试．静态调试是指在系统加电前的检查，主要是排除明显的硬件故障．静态调试的内容包括以下几点．

①排除逻辑故障：这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的．主要包括错线、开路、短路．排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致．应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路．必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间．

②排除元器件失效：造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏．可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致．在保证安装无误后，用替换方法排除错误．

③排除电源故障：在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏．加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V—4．8V之间属正常．若有高压，有时会使应用系统中的集成块发热损坏．

（2）动态调试．动态调试又称为联机调试，主要是在静态调试的基础上排除硬件系统中存在的其他问题．联机前先断电，将单片机仿真器的仿真头插到样机的单片机插座上，检查一下仿真器与样机之间的电源、接地是否良好．

通电后执行开发机的读写指令，对用户样机的存储器、I/O端口进行读写操作、逻辑检查，若有故障，可用示波器观察有关波形（如选中的译码器输出波形、读写控制信号、地址数据波形以及有关控制电平）．通过对波形的观察分析，寻找故障原因，并进一步排除故障．可能的故障有：线路连接上有逻辑错误、有开路或短路现象、集成电路失效等．

在用户系统的样机（主机部分）调试好后．可以插上用户系统的其他外围部件如键盘、显示器、输出驱动板、A/D板、D/A板等，再将这些电路进行初步调试．

（3）软件调试．软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关．如果采用模块程序设计技术，则逐个模块分别调试．调试各子程序时一定要符合现场环境，即入口条件和出口条件．调试的手段可采用单步或设断点运行方式，通过检查用户系统CPU的现场、RAM的内容和I/O口的状态，检查程序执行结果是否符合设计要求．通过检测可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，同时也可以发现用户系统中的硬件故障、软件算法及硬件设计错误．在调试过程中不断调整用户系统的软件和硬件，逐步通过一个一个程序模块．

各模块通过以后，可以把有关的功能块联合起来一起进行综合调试．在这个阶段若发生故障，可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场，缓冲单元是否发生冲突，标志位的建立和清除在设计上有无失误，堆栈区域有无溢出，输入设备的状态是否正常等等．若用户系统是在开发机的监控程序下运行时，还要考虑用户缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突．

单步和断点调试后，还应进行连续调试，这是因为单步运行只能验证程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题．待全部调试完成后，应反复运行多次，除了观察稳定性之外，还要观察用户系统的操作是否符合原始设计要求、安排的用户操作是否合理等，必要时再作适当的修正．

如果采用实时多任务操作系统，一般是逐个任务进行调试．调试方法与上基本相似，只是实时多任务操作系统的应用程序是由若干个任务程序组成，一般是逐个任务进行调试，在调试某一个任务时，同时也调试相关的子程序、中断服务程序和一些操作系统的程序．调试好以后，再使各个任务程序同时运行，如果操作系统无错误，一般情况下系统就能正常运转．

（4）系统联调．硬件和软件经调试完后，对用户系统要进行现场实验运行，检查软硬件是否按预期的要求工作，各项技术指标是否达到设计要求．一般而言，系统经过软硬件调试之后均可以正常工作．但在某些情况下，由于单片机应用系统运行的环境较为复杂，尤其在干扰较严重的场合下，在系统进行实际运行之前无法预料，只能通过现场运行来发现问题，以找出相应的解决办法．或者虽然已经在系统设计时采取了软硬件抗干扰措施，但效果如何，还需通过在现场运行才能得到验证．